新型OFHR探測系統(tǒng)準(zhǔn)確檢測胎心率設(shè)計

胎心率(FHR)檢測是一種用于胎兒出生前判斷胎兒健康狀況，并幫助識別胎兒缺氧或受壓迫等潛在危險的主要方法。早期檢測的目的是為了降低胎兒發(fā)病率和死亡率。

目前，胎心率探測最常用的方式是多普勒超聲波，標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)前胎兒健康測試為胎兒無負(fù)荷試驗(yàn)(NST)。這些測試通常在有連續(xù)波儀器的醫(yī)院內(nèi)完成。
盡管目前的超聲波胎心率檢測儀有了很大的改進(jìn)，價格不斷降低，體積也更加小巧，我們?nèi)匀恍枰_的傳感器校準(zhǔn)和一定的專業(yè)知識，從而正確地操作檢測儀。此外，此類儀器對移動相當(dāng)敏感，而且胎兒長期暴露在超聲波下可能導(dǎo)致的安全性問題目前還未有定論。因此，現(xiàn)在對檢測儀的使用還僅限于進(jìn)行短時間測試。

另外一種測量胎心率的方法是胎兒心電圖(FECG)，但其步驟更加復(fù)雜，實(shí)用性也更差。并且，目前市面上還沒有出現(xiàn)商用的無創(chuàng)傷性FECG設(shè)備。

最近，有人提出了一種仍然處于研究階段的光學(xué)方法，該方法采用鹵素?zé)艋蜴u絲燈作為光源，通過光電倍增來實(shí)現(xiàn)檢測。然而這些技術(shù)成本高，需要高光強(qiáng)，并且由于儀器尺寸和功耗限制而難以實(shí)現(xiàn)。

光學(xué)胎心率檢測系統(tǒng)

我們的研究團(tuán)隊提出了基于光電血管容積圖(PPG) 信號的低功率光學(xué)技術(shù)，以無創(chuàng)傷性地檢測胎心率。PPG信號是由光線經(jīng)過血液脈動調(diào)制后產(chǎn)生的。醫(yī)生或技術(shù)員用LED燈(低于68 mW)照射孕婦腹部，光束經(jīng)由母親和胎兒的血液循環(huán)進(jìn)行調(diào)制?？纱┩傅淖畲蠊獠úㄩL是890 nm。該混合信號可通過使用數(shù)字信號處理得到的自適應(yīng)濾波進(jìn)行分析，并采用孕婦的食指PPG作為參考輸入。

使用LabVIEW 圖形化系統(tǒng)設(shè)計軟件和NI硬件開發(fā)光學(xué)胎心率 (OFHR)檢測系統(tǒng)。在OFHR系統(tǒng)中，SNR由于入射功率的降低而隨之降低；激勵信號為調(diào)制后的光束。系統(tǒng)可實(shí)施同步檢測，LabVIEW中的軟件子程序使用NI 9474數(shù)字輸出模塊在計數(shù)器端生成調(diào)制頻率。
在接收機(jī)端，低噪聲放大和同步檢測確保以最小噪聲功率保存到有用信息。24位的NI USB-9239 模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC) 降低了量化噪聲的影響。一旦完成數(shù)字化，信號經(jīng)自適應(yīng)噪聲消除器(ANC)技術(shù)處理后從混合信號中提取胎兒PPG。

用腰帶將胎兒探針(主信號)和孕婦腹部連接，使IR-LED與光電探測器保持 4 cm的距離。將參考探針和母親的食指連接。由于所選的 IR-LED只能發(fā)射68 mW的最大功率，因此設(shè)定OFHR系統(tǒng)的工作光學(xué)功率小于國際非電離輻射防護(hù)委員會(ICNIRP)規(guī)定的87 mW。為了調(diào)制IR-LED，使用軟件子程序產(chǎn)生725 Hz的調(diào)制信號，經(jīng)由NI 9474計數(shù)器端連至LED驅(qū)動(圖1)。在圖1中，孕婦腹部的擴(kuò)散反射光由低噪聲光電探測器測量，并將其表示為I (M1, F)的形式，其中M1和F分別表示母親腹部和胎兒對信號的影響。

圖1：OFHR系統(tǒng)框圖中的硬件模塊由LabVIEW程序?qū)崿F(xiàn)
低噪(6 nV/Hz1/2)跨阻放大器將電流轉(zhuǎn)換成電壓。參考探針(連接于母親的食指)由IR-LED和一個內(nèi)置前置放大器的固態(tài)光電二極管組成。來自該探針的信號表示為I (M2)；M2代表母親對信號的影響。該通道無需同步檢測，因?yàn)槭持傅墓怆娧苋莘e圖具有高信噪比(SNR)。

NI USB-9239 24位分辨率數(shù)據(jù)采集模塊以5.5 kHz的速率同步采集來自兩個探針的信號。在數(shù)字域執(zhí)行解調(diào)、信號濾波和信號估計。軟件實(shí)現(xiàn)了包括調(diào)制信號生成、同步檢測算法、降采樣、高通濾波、和自適應(yīng)噪聲消除(ANC)算法。

設(shè)計團(tuán)隊采用LabVIEW來實(shí)現(xiàn)整個算法以及部分儀器。在完成ANC算法的預(yù)處理和應(yīng)用以后，LabVIEW將顯示胎兒信號和胎心率的結(jié)果。

圖2a顯示了OFHR系統(tǒng)的 實(shí)驗(yàn)室原型和圖形化用戶界面，并給出了孕婦食指PPG(上)、腹部PPG(中)、以及胎兒的估計PPG(下)。

圖2a：OFHR樣機(jī)

圖2b顯示了三個可選的顯示，包括數(shù)字同步或鎖相放大器(LIA)、自適應(yīng)噪聲消除器(ANC)、及心律軌跡。前兩個顯示可用于輔助開發(fā)，第三個顯示用于表明胎心率相對時間的值。用戶可在線觀察數(shù)據(jù)或?qū)⑵浔４嬗糜谶M(jìn)一步分析。

圖2b：OFHR系統(tǒng)的圖形化用戶界面

完成開發(fā)之后，我們根據(jù)來自6個懷孕35到39周不等的臨床對象總共24組數(shù)據(jù)測試了系統(tǒng)的功能性，數(shù)據(jù)由馬來西亞國民大學(xué)醫(yī)療中心提供。所有參與本研究的胎兒都由產(chǎn)科醫(yī)生檢查處于健康狀態(tài)，且出生時無并發(fā)癥。

在研究中，我們在光學(xué)及超聲波胎心率之間獲得了0.97的相關(guān)系數(shù)(p值小于0.001)，最大誤差為4%。臨床結(jié)果顯示探針越靠近胎兒組織(不限于腦部或臀部)，越能夠提高信號質(zhì)量及檢測精度。

結(jié)論

研究團(tuán)隊采用低成本、低功率的IR燈及商業(yè)可用的硅探測器開發(fā)出了新型的OFHR探測系統(tǒng)。通過使用LabVIEW，我們能夠快速方便地實(shí)現(xiàn)數(shù)字同步檢測和自適應(yīng)濾波技術(shù)。與標(biāo)準(zhǔn)測量方法（多普勒超聲波）相比，我們測量的胎心率結(jié)果精度是較高的?；诜桨傅男路f性，目前我們正在申請其商業(yè)領(lǐng)域使用的專利。